文＿羅安仲（廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師、工程師）

彭 來（廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師、工程師，碩士）

劉 芳（廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，教授、工程師，碩士）

梁承龍（廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師、工程師，碩士）

隨著國家綜合實力不斷增強(qiáng)和建筑行業(yè)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，低能耗綠色可持續(xù)建筑已成為主流發(fā)展趨勢。裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅因其建筑污染少、抗震性能好、裝配度高、便于后期操作和維護(hù)等優(yōu)點而獲得大力推廣。2020年新型冠狀病毒疫情暴發(fā)期間，以武漢“火神山”“雷神山”醫(yī)院為代表的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑成功完成了應(yīng)對嚴(yán)重危機(jī)事故的快速施工任務(wù)。利用BIM技術(shù)建立的具有一定深度的建筑結(jié)構(gòu)信息模型，可用于結(jié)構(gòu)計算與分析、結(jié)構(gòu)正設(shè)計、制造裝配式鋼結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計、現(xiàn)場智能施工的基本模型以及施工交付后期的維護(hù)、運(yùn)營和改造。它可以實現(xiàn)建筑虛擬與建筑單元的整合，創(chuàng)建建筑數(shù)字孿生兄弟，幫助國家建設(shè)數(shù)字智能城市。研究BIM技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計階段的應(yīng)用同樣具有重要意義。BIM是建筑信息模型的縮寫，模型的核心是包含所有建筑信息的數(shù)據(jù)庫，相關(guān)人員可以通過調(diào)整數(shù)據(jù)庫中的信息來調(diào)整建筑模型。BIM的3D可視化功能可對模型執(zhí)行碰撞檢查，并根據(jù)結(jié)果優(yōu)化和更改模型，降低施工風(fēng)險和返工率。預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅是指將工廠加工的鋼制件和構(gòu)件運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場后再進(jìn)行連接形成的住宅。因此，只有在設(shè)計階段盡可能多地使用標(biāo)準(zhǔn)化尺寸部件，才能實現(xiàn)建筑施工的最大效率。

一、裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑構(gòu)件庫的建立

基于BIM的裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)和通用鋼構(gòu)件創(chuàng)建統(tǒng)一的裝配式構(gòu)件庫。其創(chuàng)建通?？煞譃榱鶄€步驟：組件分類選擇、組件編碼、組件生產(chǎn)、驗證、存儲和數(shù)據(jù)庫管理。如果承重構(gòu)件是根據(jù)常用的制造結(jié)構(gòu)系統(tǒng)分類的，則不需要單獨設(shè)計主要部件；如果是根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)分類，則主要部件通常不是通用的，需要單獨設(shè)計。組件分類的整個過程如圖1所示。

圖1 組件分類

組件庫中的組件應(yīng)具有準(zhǔn)確和簡短的名稱。由于制造結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件的特殊性，UNIFORMAT II的分類系統(tǒng)可作為添加和刪除相應(yīng)構(gòu)件信息的參考。預(yù)制鋼筋的選擇考慮了跨度、荷載、鋼筋種類和其他影響因素，忽略了其他次要因素。預(yù)制梁、柱和柱的編碼如圖2所示。

圖2 編碼情況分析

預(yù)制構(gòu)件的信息創(chuàng)建應(yīng)基于3D模型添加幾何與非幾何信息。添加完成后檢查員必須逐個檢查部件信息，并對部件進(jìn)行注釋說明。在確保每個預(yù)制部件注釋的唯一性后，才可將組件信息上傳到現(xiàn)成的組件庫。BIM技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)規(guī)劃中的應(yīng)用表現(xiàn)為實際結(jié)構(gòu)計算模型和BIM模型的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的BIM模型解決了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)規(guī)劃中存在的沖突問題，并為類似基于BIM技術(shù)的設(shè)計方法總結(jié)了經(jīng)驗。

二、BIM技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅建設(shè)中的運(yùn)用

（一）創(chuàng)建BIM結(jié)構(gòu)信息模型

創(chuàng)建BIM模型有兩種方法：第一種方法是根據(jù)建筑設(shè)計方案中的信息創(chuàng)建模型；第二種方法是根據(jù)建筑物的二維繪圖方案，確定建筑物內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和功能要求（包括柱的位置和距離）并創(chuàng)建模型。

第一種方法需基于統(tǒng)一的BIM設(shè)計平臺。架構(gòu)專家在規(guī)劃階段提供架構(gòu)模型，通過軟件交互手動創(chuàng)建結(jié)構(gòu)布局。將完成的BIM結(jié)構(gòu)模型通過數(shù)據(jù)接口導(dǎo)入結(jié)構(gòu)工程軟件，在其中簡化模型、修改和改進(jìn)計算，調(diào)整BIM結(jié)構(gòu)模型，直至最終交付。這種方法的缺點是目前國內(nèi)的建筑規(guī)劃周期很短，在建筑方案設(shè)計階段沒有考慮創(chuàng)建建筑結(jié)構(gòu)模型。如果以后的建筑設(shè)計發(fā)生了重大變化，則必須先在BIM結(jié)構(gòu)模型中對其進(jìn)行修改，再將其導(dǎo)入計算軟件，進(jìn)行計算和修改。雖然可以使用計算結(jié)果模型修改Revit結(jié)構(gòu)模型，但由于現(xiàn)有靜力學(xué)計算軟件中數(shù)據(jù)交互存在缺陷，計算結(jié)構(gòu)模型與Revit模型的耦合變化會更加煩瑣，不利于結(jié)構(gòu)方案的選擇。

第二種方法是由建筑專業(yè)人員提供二維施工平面圖、高度圖和剖面圖，在結(jié)構(gòu)計算軟件中逐層創(chuàng)建相應(yīng)的結(jié)構(gòu)計算模型，然后在計算和分析完成后將其與BIM結(jié)構(gòu)模型鏈接，最終實現(xiàn)二維或三維遞送。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)計算模型簡化后更便于結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)方案的選擇。缺點是結(jié)構(gòu)計算模型是簡化后的模型，從Revit軟件導(dǎo)出后，有許多部分需要改進(jìn)，如裝配式鋼結(jié)構(gòu)下降板、鋼筋結(jié)、樓梯結(jié)等，因此效率不高。但是只要制定了適當(dāng)?shù)腂IM規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)完善的組件族庫，就可以有效避免此方法的缺陷，提高設(shè)計效率。兩種建模方法的優(yōu)缺點對比見表1。

表1 建筑信息模型建立的方法優(yōu)缺點對比

Revit（BIM模型的族庫）中的族文件是由單元組成的最基本單元和構(gòu)件。Revit中的所有圖元都是基于單個族定義的，單個族文件具有自己的大小、形狀、族類型、屬性和名稱，可以通過控制參數(shù)快速修改族。由于Revit系統(tǒng)自帶的族文件無法滿足各種項目的要求，因此通常需要通過Revit的自建族功能創(chuàng)建所需的族文件，或調(diào)用外部平臺的族文件以滿足要求。族庫的建立和完善主要采用自建族的方式來完成復(fù)雜裝配式鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點的設(shè)計。通過為一些非通用節(jié)點建立新族，當(dāng)類似的項目使用該節(jié)點以提高設(shè)計效率時，可以擴(kuò)展并直接調(diào)用現(xiàn)有族庫。公司通常會建立自己的族庫平臺或定制特殊的公共族庫，以便于族庫檔案的統(tǒng)一管理和提高使用效率。對于裝配式高層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅項目，預(yù)制構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)之間的連接必須由自建族庫進(jìn)行。目前，國內(nèi)許多軟件開發(fā)商已經(jīng)發(fā)布了公共族庫的插件，如宏華科技的族庫大師、光聯(lián)達(dá)組件塢、宏業(yè)科技的云家庭360族庫、橄欖山族庫等免費(fèi)族庫。這些族庫的優(yōu)點是擁有更多的數(shù)據(jù)資源，整合了所有的社會資源，避免了重復(fù)性工作和資源浪費(fèi)；缺點是缺乏良好的統(tǒng)一管理，缺少相應(yīng)的搜索引擎，不方便調(diào)用。

（二）BIM模型樣板文件

Revit樣本文件是項目模型文件的規(guī)則文件，是用于指定模型中的各種圖元、族文件和視圖的標(biāo)準(zhǔn)。模型文件有助于文檔的標(biāo)準(zhǔn)化和統(tǒng)一，可以顯著提高模型構(gòu)建和協(xié)同設(shè)計的效率。在積極設(shè)計的過程中，各專業(yè)可以使用統(tǒng)一、協(xié)調(diào)設(shè)置的模型文件，也可以根據(jù)各專業(yè)的需要使用模型文件。正向設(shè)計中的模型文件通常包含設(shè)計公司自己的框架和標(biāo)簽、與CAD圖層相同的線型設(shè)置、各種所需視圖、網(wǎng)格高度、族文件等。

高層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的BIM建筑模型通常是分層構(gòu)建的，而BIM結(jié)構(gòu)模型通常使用便于轉(zhuǎn)換和適應(yīng)的結(jié)構(gòu)計算模型來構(gòu)建。不同專業(yè)的設(shè)計方法不同，BIM結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建應(yīng)取決于建筑模型，以確保建筑效果。由于房屋類型的一致性，高層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅項目具有標(biāo)準(zhǔn)樓層的概念，即每層結(jié)構(gòu)設(shè)備的布局基本相同，只有細(xì)微的變化，因此住宅項目的模型通常分為標(biāo)準(zhǔn)樓層和詳細(xì)模型。BIM建筑模型的構(gòu)建主要分為以下步驟：（1）創(chuàng)建模板文件；（2）控制模塊文件；（3）更改與默認(rèn)層不同的每個層的位置；（4）復(fù)制監(jiān)控結(jié)構(gòu)鋼柱支撐的位置，調(diào)整建筑布局；（5）填寫模型摘要。

BIM結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建主要分為以下步驟：（1）模板文件的設(shè)置；（2）控制模塊文件；（3）根據(jù)建筑物的特點，對結(jié)構(gòu)的計算模型進(jìn)行分層轉(zhuǎn)換；（4）根據(jù)建筑布局調(diào)整模型中結(jié)構(gòu)構(gòu)件的位置；（5）補(bǔ)充計算模型中缺少的組件，例如建筑樓梯；（6）填寫模型摘要。

構(gòu)建BIM結(jié)構(gòu)建筑模型關(guān)鍵節(jié)點族文件的步驟如下所示。

（1）樓梯節(jié)點：預(yù)制混凝土樓梯具有三個優(yōu)點。一是形狀質(zhì)量易于控制，預(yù)制樓梯在工廠制造，形狀統(tǒng)一。鋼筋易于綁扎，不易出錯。二是現(xiàn)場施工簡單，施工現(xiàn)場以干作業(yè)為主，濕作業(yè)較少，無須模板施工和鋼筋膠帶，吊裝方便。三是預(yù)制樓梯與主體結(jié)構(gòu)的分離減少了預(yù)制樓梯對整體結(jié)構(gòu)的剛度影響，現(xiàn)場安裝速度快，安裝后即可使用，方便施工。目前，傳統(tǒng)做法是在預(yù)制混凝土樓梯兩端預(yù)留安裝孔，將鋼梯梁頂部的螺栓焊接到安裝孔中，并在鋼梁上翼緣放置聚四氟乙烯板，以減少預(yù)制樓梯與主體結(jié)構(gòu)之間的摩擦面。這樣，孔和螺栓直接形成的空腔在密封時滿足建筑標(biāo)準(zhǔn)要求后，可減少預(yù)制樓梯水平振動對整體結(jié)構(gòu)的影響。這種類型的預(yù)制混凝土樓梯一端有鉸接支撐，另一端有滑動支撐，以避免彎曲力矩對支撐處整體結(jié)構(gòu)的不利影響。BIM信息模型中的3D顯示可以更直觀地增加施工人員對該節(jié)點的理解。

（2）梁柱節(jié)點：鋼梁與鋼柱之間的連接根據(jù)鋼梁對鋼柱的受力剛度（轉(zhuǎn)動剛度）大致可分為三類：鉸接節(jié)點、半剛性節(jié)點和剛性節(jié)點。在高層裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑中，鋼梁與鋼柱之間的連接一般采用剛性連接設(shè)計。采用相同強(qiáng)度的連接，除了可在梁端傳遞剪力外，這種連接還可以傳遞梁端部的彎矩，并保持連接構(gòu)件的連續(xù)性。剛性連接通常采用螺紋連接和焊接。

（3）外墻板節(jié)點：外墻板是一種非承重墻板，它使用特殊的連接件與主裝配式鋼結(jié)構(gòu)連接。外墻系統(tǒng)與主體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)之間的連接形式可以是嵌入式、外置式或組合式，連接時應(yīng)設(shè)置分層懸掛或支撐。本工程外墻板采用的是安徽富煌裝配式鋼結(jié)構(gòu)公司開發(fā)的“下承上拉”連接節(jié)點，通過頂部懸掛和底部支撐以達(dá)到與主體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固連接。

（4）地面相關(guān)節(jié)點：住宅樓板支撐板由于其施工方便且不需要承重元件的優(yōu)點而被廣泛使用。在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑中，住宅樓組合樓板與鋼框架的連接通常以樓板四邊的鋼筋為節(jié)點。組合樓板與鋼梁之間的連接則是通過在鋼梁上部打入螺栓后澆筑混凝土來實現(xiàn)。在組合樓板與鋼柱的連接處，必須將角鋼焊接在組合樓板的鋼材下或與相鄰鋼梁上的角鋼連接，形成45° 三角形支撐。

（三）BIM模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和優(yōu)化

Revit建筑模型和結(jié)構(gòu)分析模型目前以兩種方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換：一種是創(chuàng)建IFC標(biāo)準(zhǔn)文件，并將IFC文件用作數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?；另一種是基于Revit二次開發(fā)的插件，可將模型文件轉(zhuǎn)換為所需的格式文件。基于Revit API的二次開發(fā)插件可以有效解決指定軟件格式的數(shù)據(jù)交互問題，在特定操作環(huán)境下開發(fā)的Revit插件將更有利于指定模塊的操作，如數(shù)據(jù)傳輸插件、裝配式鋼結(jié)構(gòu)插件、用于安裝施工的插件和用于道路和橋梁設(shè)計的插件等。如今，工程師已經(jīng)針對Revit和結(jié)構(gòu)分析軟件之間的接口開發(fā)了許多復(fù)雜的插件，如PKPM-BIM、Yjk for Revit、3D3S和TSRevit。本文以阜陽某高層住宅工程為例，采用兩種方法將結(jié)構(gòu)計算模型轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)信息模型。第一種方法是將PKPM計算文件和YJK計算文件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Revit；第二種方法是使用PKPM BIM平臺將PKPM計算模型導(dǎo)入PKPM-PS和PKPM DetailWork軟件。經(jīng)過測試，發(fā)現(xiàn)PKPM的深化軟件存在一些不可避免的信息錯誤。數(shù)據(jù)加載完成后，將建立Revit與靜態(tài)計算分析軟件之間的通道，并在比較截面后獲得相應(yīng)的Revit模型。表2顯示了不同軟件轉(zhuǎn)換前后的BIM結(jié)構(gòu)模型單元數(shù)統(tǒng)計結(jié)果。

表2 統(tǒng)計結(jié)果

通過對轉(zhuǎn)換前后BIM結(jié)構(gòu)模型組件數(shù)量和轉(zhuǎn)換前后BIS結(jié)構(gòu)模型組件數(shù)量的統(tǒng)計分析可以確定垂直組件（如立柱和垂直立柱）的數(shù)據(jù)在交互過程中沒有丟失。比較發(fā)現(xiàn)，在導(dǎo)入鋼梁等水平鋼筋的過程中，BIM裝配式鋼結(jié)構(gòu)軟件會將一些主梁或次梁與次梁切割成一個完整的鋼梁，鋼梁數(shù)量因此減少，但在結(jié)構(gòu)分析和計算軟件中，由于節(jié)點斷裂問題，桿的數(shù)量會有所增加。因數(shù)據(jù)交互過程中信息丟失的原因相對復(fù)雜，本文在此不做詳細(xì)討論。

BIM模型鋼節(jié)點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑中最復(fù)雜的部分。結(jié)構(gòu)計算與分析軟件PKPM和YJK均包含裝配式鋼結(jié)構(gòu)圖節(jié)點計算模塊，這些模塊通過讀取主框架結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果，生成整個建筑的三維節(jié)點和二維節(jié)點結(jié)構(gòu)圖。因目前國內(nèi)開發(fā)的插件沒有完善的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，故將裝配式鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點導(dǎo)入BIM結(jié)構(gòu)模型有兩種方式：（1）使用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，通過空間坐標(biāo)定位等方法，與用于Revit和PKPM-PS軟件的Yjk類似。（2）使用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口將荷載和計算結(jié)果導(dǎo)入原始結(jié)構(gòu)計算模型到BIM結(jié)構(gòu)模型中，與Explorer Steel Structure BIM插件TSRevit-T3PT類似。示例工程采用了這種方法，使用的軟件為Yjk for Revit2020、TSRevit for 2020-T3PT和PKPM-BIM2.3。

值得注意的是，通過Yjk for Revit 2020導(dǎo)入的裝配式鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點僅保留次梁的鉸接連接，鋼柱與主梁之間的連接節(jié)點嚴(yán)重丟失。但是，TSRevit重新計算生成的裝配式鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點正好相反：只生成了鋼柱和主鋼梁之間的連接節(jié)點，次梁的鉸接連接丟失。如果要獲取所有鋼梁節(jié)點，則需要將這兩個節(jié)點生成的模型節(jié)點組合起來。

從圖3分析轉(zhuǎn)換后的BIM模型中可以看出，為滿足當(dāng)前項目的需求，該模型需要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。（1）調(diào)整格柵并確定其尺寸。結(jié)構(gòu)計算軟件中的結(jié)構(gòu)計算單元和分析模型單元位于同一軸上，因此軸的數(shù)量大且無序，需按照國家設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)重新編號，保留主軸并標(biāo)記網(wǎng)格，讓每個階段的此類模型可以在相同的標(biāo)準(zhǔn)尺寸下共同設(shè)計，這有利于改進(jìn)后期設(shè)計。（2）級別更改。住宅樓承板短跨兩端置于結(jié)構(gòu)鋼梁頂部，住宅樓底部支撐板的大跨度方向末端通過螺栓與鋼梁抗剪。因此，鋼梁頂部高度應(yīng)等于建筑高度減去施工實踐和樓板厚度之和。經(jīng)過比較，在未處理樓層高度之前，鋼梁和混凝土樓板處于同一高度，這與實際情況不符。處理后的地板應(yīng)放置在鋼梁的上翼緣上。（3）調(diào)整組件連接。為了避免前文提到的組件連接的交叉布線問題，應(yīng)調(diào)整連接位置。

圖3 擬設(shè)計住宅樓的整體BIM模型

裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑與高層混凝土住宅相比，節(jié)點類型很多，而節(jié)點是完成高層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的關(guān)鍵因素，涉及住宅防水、防火、隔熱和隔音等方面。如果處理不當(dāng)，可能會出現(xiàn)冷橋效應(yīng)導(dǎo)致墻板開裂，發(fā)生安全事故。一般來說，結(jié)構(gòu)專業(yè)人員在設(shè)計裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑時會匯集大量相同類型的節(jié)點，以降低設(shè)計難度和經(jīng)濟(jì)成本，這種設(shè)計方式最容易在主體結(jié)構(gòu)和墻板之間的連接節(jié)點及外墻板之間的連接節(jié)點出現(xiàn)問題。由于構(gòu)件連接精度不足，連接質(zhì)量低，在施工過程中會出現(xiàn)墻體開裂、墻板縫隙和滲漏量過大的現(xiàn)象，削弱了建筑的防水性能和保溫效果。BIM技術(shù)的應(yīng)用可以有效地避免上述問題，基于BIM模型的可視化功能，設(shè)計人員可以模擬這些問題進(jìn)行并提前進(jìn)行糾正。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用虛擬裝配技術(shù)調(diào)整和控制組件連接方式，確定偏差范圍，以確保其功能在實際施工中不會受到損害。施工結(jié)束后，BIM信息管理系統(tǒng)可將現(xiàn)場完工情況傳輸至BIM質(zhì)量管理系統(tǒng)，使監(jiān)理和規(guī)劃師能夠?qū)彶槠湓O(shè)計和施工效果，為項目施工質(zhì)量提供有效保障，如圖4所示。

圖4 預(yù)制構(gòu)件信息聯(lián)系

三、結(jié)語

隨著時代的進(jìn)步，傳統(tǒng)的建筑技術(shù)施工方法已不能滿足當(dāng)今的需要。裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑已成為建筑產(chǎn)業(yè)的主力軍。BIM技術(shù)可以通過建立建筑信息模型來優(yōu)化裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計、施工、管理、運(yùn)行和維護(hù)等環(huán)節(jié)。本文總結(jié)了BIM技術(shù)在現(xiàn)階段高層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計和應(yīng)用中的研究成果。依托某安置小區(qū)裝配式鋼結(jié)構(gòu)高層住宅實際項目，校核體系的實用性和安全性，研究BIM技術(shù)在高層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計階段的應(yīng)用價值。